ACID特性とは

ACIDは、Atomicity（原子性）、Consistency（一貫性）、Isolation（独立性）、Durability（永続性）の頭文字を取った言葉で、これらの特性はデータベーストランザクションの信頼性を確保するための基本的な原則を定義しています。データベース操作がこれらのACID特性を備えている場合、それはACIDトランザクションと呼ばれます。また、これらの操作を適用するデータストレージシステムはトランザクションシステムと呼ばれます。

データベーストランザクションにおけるACID特性の重要性

ACID特性は、どんなデータベーストランザクションでも正常に動作するために非常に重要です。これらの特性によって、読み取り、書き込み、更新操作の間にデータの整合性と信頼性が保護されます。ACIDの原則に準拠することにより、データベースはシステムクラッシュや停電などの障害が発生した場合でもデータが一貫性を保ち、有効な状態になることが保証されます。また、複数の並行するデータベース操作が互いに干渉しないようにすることで、さまざまな潜在的な異常を防ぎます。

原子性

原子性は、ギリシャ語の「atomos」（「分割できない」という意味）に由来し、トランザクションは一つの分割できない単位として扱われるべきであるという原則を指します。つまり、トランザクションの全ての部分が正常に完了しなければなりません。トランザクションのいずれかの部分が失敗した場合、トランザクション全体が失敗し、データベースの状態は変更されません。

データベーストランザクションにおける原子性の役割

データベーストランザクションの文脈において、原子性はトランザクションが途中で失敗した場合でもデータが一貫した状態に保たれることを保証します。トランザクションの失敗は、システムの障害、データの整合性の違反、またはトランザクションプロセスを妨げる可能性のある予期しない出来事に起因します。

原子性の現実世界での例

例えば、銀行の取引でアカウント間での送金を考えてみます。このトランザクションには、ソースアカウントからの金額の引き落としと、それを宛先アカウントに入金するという2つの操作が含まれます。原子性は、これらの操作が完全に行われるか、またはまったく行われないかのどちらかとなることを保証します。したがって、デビット操作の後でクレジット操作が行われる前にシステム障害が発生した場合、トランザクションは取り消され、お金はソースアカウントに返されます。

障害への対処：原子性の役割

原子性はデータの信頼性を確保する上で重要な役割を果たします。特に高い可用性が必要なシステムでは、エラーや障害が発生してもデータを失ったり、システムを一貫性のない状態にしたりせずに、エラーと障害を優雅に処理する方法を提供します。これは、トランザクションがコミットできない場合に、トランザクションによって行われた変更を元に戻すロールバックなどのメカニズムを使用することによって実現されます。

一貫性

ACID特性の文脈での一貫性は、全てのトランザクションがデータベースを有効な状態から別の有効な状態に移行させる要件を指します。一貫性のルール、または整合性制約としても知られるものは、データベースが不正な状態に入らないように定義されています。

データベーストランザクションにおける一貫性の重要性

一貫性の特性は、どのトランザクションもデータベースを有効な状態から別の有効な状態に移行させることを保証します。データベースは事前に定義された一貫性の制約を満たさなければなりませんし、任意のトランザクションもこれらの制約を維持する責任があります。トランザクションが一貫性のルールを破る結果となった場合、トランザクションは取り消され、データベースの状態は変更されません。

テーブルにおける一貫性の確保

例として、Eコマースのウェブサイトを考えてみます。顧客が商品を購入する場合、購入前の在庫はその商品の5つの単位であるとされています。1つの単位を購入した後は、在庫は4つの単位に自動的に更新される必要があります。在庫が4以外の数値を表示している場合、一貫性に問題があることを意味します。したがって、ACIDモデルの一貫性特性は、トランザクションの前後でデータベースが常に一貫した状態になることを保証します。

データの破損やエラーへの対処：一貫性の重要性

システムがデータの破損やエラーに直面した場合、ACID特性の一貫性はデータの整合性を維持する上で重要な役割を果たします。これにより、定義されたルールに従った有効なデータのみがデータベースに書き込まれるため、偶発的な損失や論理的な破損が防止されます。

独立性

独立性はACID特性の一つであり、トランザクションの同時実行が、トランザクションが直列に実行された場合と同じシステム状態をもたらすことを保証します。この特性により、トランザクションは干渉せずに独立して実行されることが可能となります。

データベーストランザクションにおける独立性

独立性の特性は、複数のトランザクションが同時に実行される場合でも、トランザクションがある順序で実行された場合と同じデータベースの状態になることを保証します。これは、複数のユーザーが同時にデータベースシステムを使用するマルチユーザーデータベースシステムでは重要です。

同時トランザクションの管理：独立性の役割

例えば、鉄道の予約システムを考えてみます。2人のユーザーが同時に列車の最後の空席を予約しようとしています。独立性の特性により、1つのトランザクションだけが座席を予約し、もう1つのトランザクションは座席が利用できないことが通知されます。この特性は、2つの同時トランザクションの間で競合が発生しないようにするのに重要です。

独立性による同時トランザクションの処理

独立性の特性は、複数のトランザクションが同時に実行される場合に発生する潜在的な競合や異常を防ぐ役割を果たします。ロックやタイムスタンプなどのさまざまなメカニズムを使用して独立性を実現することができます。これにより、データの不整合が防止され、システムの信頼性が確保されます。

永続性

永続性はACID特性の一つであり、トランザクションがコミットされた後も、電源喪失、クラッシュ、エラーなどの障害が発生した場合でも、トランザクションが永続的に保持されることを保証します。つまり、データベースは急なシャットダウンから回復できるように、保留中の変更を追跡することが保証されます。

データベーストランザクションにおける永続性の役割

永続性は、トランザクションがコミットされた後も、将来のシステムやソフトウェアの障害に対してその効果が維持されることを保証します。通常、これはトランザクションの変更を非ボラティルなストレージ媒体に保存することによって実現されます。

システム障害にもデータが永続することを確保する

オンラインバンキングのトランザクションを考えてみます。取引が完了した直後にシステム障害が発生した場合、永続性の特性により、トランザクションによって行われた変更（アカウントからの引き落としや他のアカウントへの入金）が失われないことが保証されます。通常、システムはトランザクションログを維持し、障害発生直前のシステム状態を再構築するために使用されます。

永続性の現実世界での例

永続性は、データが重要であり、データの損失が重大な問題を引き起こす可能性がある銀行システムや予約システムなどのシステムで非常に重要です。例えば、ユーザーがチケットを予約した直後にシステムが障害を起こした場合、永続性の特性により、予約情報が失われず、システムが障害から回復した後もユーザーのチケットが予約されたままとなります。

ACID特性を持つさまざまなデータベースシステム

リレーショナルデータベースにおけるACID特性の実装

リレーショナルデータベースは、元々ACIDに準拠しています。これらのデータベースはトランザクションのサポートを提供し、信頼性とデータの正確性を確保するためにACID特性を実装しています。MySQL、PostgreSQL、Oracle Databaseなどがその例です。

NoSQLデータベースにおけるACID特性の取り扱い

リレーショナルデータベースとは異なり、MongoDB、Cassandra、CouchDBなどのNoSQLデータベースはACID特性に対して異なるアプローチを取っています。多くのNoSQLデータベースはパフォーマンスとスケーラビリティを重視し、厳格なACID準拠よりも「最終的な一貫性」を提供することが一般的です。これにより一時的な不整合が生じる代わりにパフォーマンスが向上します。ただし、一部のNoSQLデータベースは特定のレベルでACID準拠を提供しており、例えば単一のドキュメント内または操作ごとにACID準拠を備えている場合があります。